Βασικές γνώσεις των οπτικών ινών

Η εφεύρεση των οπτικών ινών οδήγησε την επανάσταση στον τομέα της επικοινωνίας. Εάν δεν υπάρχει οπτική ίνα για την παροχή καναλιών υψηλής ταχύτητας υψηλής ταχύτητας, το Διαδίκτυο μπορεί να παραμείνει μόνο στο θεωρητικό στάδιο. Εάν ο 20ος αιώνας ήταν η εποχή της ηλεκτρικής ενέργειας, τότε ο 21ος αιώνας είναι η εποχή του φωτός. Πώς επιτυγχάνει το φως την επικοινωνία; Ας μάθουμε τις βασικές γνώσεις της οπτικής επικοινωνίας μαζί με τον παρακάτω επεξεργαστή.

Μέρος 1. Βασική γνώση της διάδοσης του φωτός

Κατανόηση των φωτεινών κυμάτων
Τα ελαφρά κύματα είναι στην πραγματικότητα ηλεκτρομαγνητικά κύματα και στον ελεύθερο χώρο, το μήκος κύματος και η συχνότητα των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων είναι αντιστρόφως ανάλογες. Το προϊόν των δύο είναι ίσο με την ταχύτητα του φωτός, δηλαδή:

Ρυθμίστε τα μήκη κύματος ή τις συχνότητες των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων για να σχηματίσουν ένα ηλεκτρομαγνητικό φάσμα. Σύμφωνα με τα διαφορετικά μήκη κύματος ή συχνότητες, τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα μπορούν να χωριστούν σε περιοχή ακτινοβολίας, υπεριώδη περιοχή, ορατή περιοχή φωτός, περιοχή υπέρυθρης περιφέρειας, περιοχή μικροκυμάτων, περιοχή ραδιοφωνικών κυμάτων και περιοχή μεγάλου κύματος. Οι ζώνες που χρησιμοποιούνται για την επικοινωνία είναι κυρίως η περιοχή υπέρυθρων, η περιοχή μικροκυμάτων και η περιοχή του ραδιοφώνου. Η ακόλουθη εικόνα θα σας βοηθήσει να κατανοήσετε τη διαίρεση των συγκροτημάτων επικοινωνίας και τα αντίστοιχα μέσα διάδοσης σε λίγα λεπτά.

Ο πρωταγωνιστής αυτού του άρθρου, "επικοινωνία οπτικών ινών", χρησιμοποιεί ελαφριά κύματα στη ζώνη υπέρυθρων. Όταν πρόκειται για αυτό το σημείο, οι άνθρωποι μπορεί να αναρωτιούνται γιατί πρέπει να είναι στην υπέρυθρη μπάντα; Αυτό το ζήτημα σχετίζεται με την απώλεια οπτικής μετάδοσης οπτικών ινών υλικών, δηλαδή γυαλί πυριτίου. Στη συνέχεια, πρέπει να καταλάβουμε πώς οι οπτικές ίνες μεταδίδουν το φως.

Διάθλαση, αντανάκλαση και απόλυτη αντανάκλαση του φωτός

Όταν το φως εκπέμπεται από μια ουσία στην άλλη, η διάθλαση και η αντανάκλαση εμφανίζονται στη διεπαφή μεταξύ των δύο ουσιών και η γωνία διάθλασης αυξάνεται με τη γωνία του προσπίπτοντος φωτός. Όπως φαίνεται στο σχήμα ① → ②. Όταν η γωνία του περιστατικού φτάσει ή υπερβαίνει μια ορισμένη γωνία, το διαθλασμένο φως εξαφανίζεται και όλο το φως του φώτου αντανακλάται πίσω, που είναι η πλήρης αντανάκλαση του φωτός, όπως φαίνεται στο ② → ③ στο ακόλουθο σχήμα.

Τα διαφορετικά υλικά έχουν διαφορετικούς δείκτες διάθλασης, οπότε η ταχύτητα της διάδοσης του φωτός ποικίλλει σε διαφορετικά μέσα. Ο δείκτης διάθλασης αντιπροσωπεύεται από n, n = c/v, όπου c είναι η ταχύτητα σε κενό και V είναι η ταχύτητα διάδοσης στο μέσο. Ένα μέσο με υψηλότερο δείκτη διάθλασης ονομάζεται οπτικά πυκνό μέσο, ​​ενώ ένα μέσο με χαμηλότερο δείκτη διάθλασης ονομάζεται οπτικά αραιό μέσο. Οι δύο προϋποθέσεις για τη συνολική αντανάκλαση είναι:
1. Μεταφορά από οπτικά πυκνό μέσο έως οπτικά αραιό μέσο
2. Η γωνία περιστατικού είναι μεγαλύτερη ή ίση με την κρίσιμη γωνία της συνολικής αντανάκλασης
Προκειμένου να αποφευχθεί η διαρροή οπτικού σήματος και να μειωθεί η απώλεια μετάδοσης, η οπτική μετάδοση σε οπτικές ίνες συμβαίνει υπό συνολικές συνθήκες αντανάκλασης.

Μέρος 2. Εισαγωγή στα μέσα οπτικής διάδοσης (οπτικά οπτικά ινών)

Δομή οπτικών ινών

Με τη βασική γνώση της συνολικής διάδοσης φωτός ανάκλασης, είναι εύκολο να κατανοηθεί η δομή σχεδιασμού των οπτικών ινών. Η γυμνή ίνα οπτικών ινών χωρίζεται σε τρία στρώματα: το πρώτο στρώμα είναι ο πυρήνας, ο οποίος βρίσκεται στο κέντρο της ίνας και αποτελείται από διοξείδιο πυριτίου υψηλής καθαρότητας, επίσης γνωστό ως γυαλί. Η διάμετρος του πυρήνα είναι γενικά 9-10 microns (μονής λειτουργίας), 50 ή 62,5 microns (πολλαπλών λειτουργιών). Ο πυρήνας των ινών έχει υψηλό δείκτη διάθλασης και χρησιμοποιείται για τη μετάδοση του φωτός. Δεύτερη στρώση επένδυση: Βρίσκεται γύρω από τον πυρήνα των ινών, που αποτελείται επίσης από γυαλί πυριτίας (με διάμετρο γενικά 125 μικρά). Ο δείκτης διάθλασης της επένδυσης είναι χαμηλός, σχηματίζοντας μια συνολική κατάσταση αντανάκλασης μαζί με τον πυρήνα των ινών. Το τρίτο στρώμα επικάλυψης: Το εξωτερικό στρώμα είναι μια ενισχυμένη επικάλυψη ρητίνης. Το προστατευτικό υλικό στρώματος έχει υψηλή αντοχή και μπορεί να αντέξει μεγάλες επιπτώσεις, προστατεύοντας την οπτική ίνα από τη διάβρωση των υδρατμών και τη μηχανική τριβή.

Απώλεια οπτικής μετάδοσης

Η απώλεια μετάδοσης οπτικών ινών είναι ένας πολύ σημαντικός παράγοντας που επηρεάζει την ποιότητα της επικοινωνίας οπτικών ινών. Οι κύριοι παράγοντες που προκαλούν εξασθένηση των οπτικών σημάτων περιλαμβάνουν απώλεια απορρόφησης των υλικών, απώλεια σκέδασης κατά τη διάρκεια της μετάδοσης και άλλες απώλειες που προκαλούνται από παράγοντες όπως κάμψη ινών, συμπίεση και απώλεια σύνδεσης.

Το μήκος κύματος του φωτός είναι διαφορετικό και η απώλεια μετάδοσης στις οπτικές ίνες είναι επίσης διαφορετική. Προκειμένου να ελαχιστοποιηθεί η απώλεια και να διασφαλιστεί η επίδραση μετάδοσης, οι επιστήμονες έχουν δεσμευτεί να βρουν το καταλληλότερο φως. Το φως στην περιοχή μήκους κύματος 1260nm ~ 1360nm έχει τη μικρότερη παραμόρφωση σήματος που προκαλείται από τη διασπορά και τη χαμηλότερη απώλεια απορρόφησης. Στις πρώτες μέρες, αυτό το εύρος μήκους κύματος υιοθετήθηκε ως η οπτική επικοινωνία. Αργότερα, μετά από μια μακρά περίοδο εξερεύνησης και πρακτικής, οι εμπειρογνώμονες συνοψίζουν σταδιακά ένα εύρος μήκους κύματος χαμηλής απώλειας (1260nm ~ 1625nm), το οποίο είναι το πλέον κατάλληλο για μετάδοση σε οπτικές ίνες. Έτσι, τα ελαφρά κύματα που χρησιμοποιούνται στην επικοινωνία οπτικών ινών είναι γενικά στη ζώνη υπέρυθρων.

Ταξινόμηση οπτικών ινών

Πολυτροπική οπτική ίνα: Μεταδίδει πολλαπλές λειτουργίες, αλλά η μεγάλη διασπορά διασποράς περιορίζει τη συχνότητα μετάδοσης ψηφιακών σημάτων και αυτός ο περιορισμός γίνεται πιο σοβαρός με την αύξηση της απόστασης μετάδοσης. Ως εκ τούτου, η απόσταση της μετάδοσης οπτικών ινών πολλαπλών ουσιών είναι σχετικά μικρή, συνήθως μόνο λίγα χιλιόμετρα.
Ενιαία ίνα λειτουργίας: Με πολύ μικρή διάμετρο ινών, θεωρητικά μόνο μία λειτουργία μπορεί να μεταδοθεί, καθιστώντας την κατάλληλη για απομακρυσμένη επικοινωνία.

Μέρος 3. Αρχή λειτουργίας του συστήματος επικοινωνίας οπτικών ινών

Σύστημα επικοινωνίας οπτικών ινών

Τα προϊόντα επικοινωνίας που χρησιμοποιούνται συνήθως, όπως τα κινητά τηλέφωνα και οι υπολογιστές, μεταδίδουν πληροφορίες με τη μορφή ηλεκτρικών σημάτων. Κατά τη διεξαγωγή οπτικής επικοινωνίας, το πρώτο βήμα είναι να μετατρέψετε τα ηλεκτρικά σήματα σε οπτικά σήματα, να τα μεταδώσετε μέσω καλωδίων οπτικών ινών και στη συνέχεια να μετατρέψετε τα οπτικά σήματα σε ηλεκτρικά σήματα για να επιτευχθεί ο σκοπός της μετάδοσης πληροφοριών. Το βασικό σύστημα οπτικής επικοινωνίας αποτελείται από έναν οπτικό πομπό, έναν οπτικό δέκτη και ένα κύκλωμα οπτικών ινών για τη μετάδοση φωτός. Προκειμένου να διασφαλιστεί η ποιότητα της μετάδοσης σήματος μεγάλων αποστάσεων και να βελτιωθεί το εύρος ζώνης μετάδοσης, χρησιμοποιούνται γενικά οπτικοί επαναλήψεις και πολυπλέκτες.

Παρακάτω είναι μια σύντομη εισαγωγή στην αρχή λειτουργίας κάθε συστατικού στο σύστημα επικοινωνίας οπτικών ινών.

Οπτικός πομπός:Μετατρέπει τα ηλεκτρικά σήματα σε οπτικά σήματα, που αποτελούνται κυρίως από διαμορφωτές σήματος και πηγές φωτός.

Πολυπλέκτης σήματος:ζευγάρια πολλαπλά σήματα οπτικού φορέα διαφορετικών μηκών κύματος στην ίδια οπτική ίνα για μετάδοση, επιτυγχάνοντας την επίδραση της διπλασιαστικής χωρητικότητας μετάδοσης.

Οπτικός επαναλήπτης:Κατά τη διάρκεια της μετάδοσης, η κυματομορφή και η ένταση του σήματος θα επιδεινωθούν, οπότε είναι απαραίτητο να αποκατασταθεί η κυματομορφή στην τακτοποιημένη κυματομορφή του αρχικού σήματος και να αυξηθεί η ένταση του φωτός.

Αποκλειστής σήματος:Αποσυνδέστε το πολυπλεγμένο σήμα στα αρχικά του μεμονωμένα σήματα.

Οπτικός δέκτης:Μετατρέπει το ληφθέν οπτικό σήμα σε ένα ηλεκτρικό σήμα, που αποτελείται κυρίως από φωτοανιχνευτή και αποδιαμορφωτή.

Μέρος 4. Πλεονεκτήματα και εφαρμογές οπτικής επικοινωνίας

Πλεονεκτήματα της οπτικής επικοινωνίας:

1. Απόσταση αναμετάδοσης, οικονομική και εξοικονόμηση ενέργειας
Υποθέτοντας τη μετάδοση 10 Gbps (10 δισεκατομμύρια 0 ή 1 σήματα ανά δευτερόλεπτο) πληροφοριών, εάν χρησιμοποιείται ηλεκτρική επικοινωνία, το σήμα πρέπει να μεταδοθεί και να προσαρμοστεί κάθε μερικές εκατοντάδες μέτρα. Σε σύγκριση με αυτό, η χρήση οπτικής επικοινωνίας μπορεί να επιτύχει απόσταση αναμετάδοσης άνω των 100 χιλιομέτρων. Όσο λιγότερες φορές ρυθμίζεται το σήμα, τόσο χαμηλότερο είναι το κόστος. Από την άλλη πλευρά, το υλικό της οπτικής ίνας είναι το διοξείδιο του πυριτίου, το οποίο έχει άφθονα αποθέματα και πολύ χαμηλότερο κόστος από το σύρμα χαλκού. Ως εκ τούτου, η οπτική επικοινωνία έχει οικονομική και εξοικονόμηση ενέργειας.

2. Γρήγορη μετάδοση πληροφοριών και υψηλή ποιότητα επικοινωνίας

Για παράδειγμα, τώρα όταν μιλάμε με φίλους στο εξωτερικό ή κουβεντιάζοντας online, ο ήχος δεν είναι τόσο υστερό όσο πριν. Στην εποχή της τηλεπικοινωνίας, η διεθνής επικοινωνία βασίζεται κυρίως σε τεχνητούς δορυφόρους ως ρελέ για μετάδοση, με αποτέλεσμα μεγαλύτερες διαδρομές μετάδοσης και βραδύτερη άφιξη σήματος. Και η οπτική επικοινωνία, με τη βοήθεια υποβρυχίων καλωδίων, μειώνει την απόσταση μετάδοσης, καθιστώντας ταχύτερη τη μετάδοση πληροφοριών. Επομένως, η χρήση της οπτικής επικοινωνίας μπορεί να επιτύχει ομαλότερη επικοινωνία με το εξωτερικό.

3. Ισχυρή ικανότητα κατά της παρεμβολής και καλή εμπιστευτικότητα

Η ηλεκτρική επικοινωνία μπορεί να παρουσιάσει σφάλματα λόγω ηλεκτρομαγνητικής παρεμβολής, οδηγώντας σε μείωση της ποιότητας της επικοινωνίας. Ωστόσο, η οπτική επικοινωνία δεν επηρεάζεται από τον ηλεκτρικό θόρυβο, καθιστώντας την ασφαλέστερη και πιο αξιόπιστη. Και λόγω της αρχής του συνολικού προβληματισμού, το σήμα περιορίζεται πλήρως στην οπτική ίνα για μετάδοση, οπότε η εμπιστευτικότητα είναι καλή.

4. Μεγάλη χωρητικότητα μετάδοσης
Γενικά, η ηλεκτρική επικοινωνία μπορεί να μεταδίδει μόνο 10GBPs (10 δισεκατομμύρια 0 ή 1 σήματα ανά δευτερόλεπτο) πληροφοριών, ενώ η οπτική επικοινωνία μπορεί να μεταδώσει 1Tbps (1 τρισεκατομμύρια 0 ή 1 σήματα) πληροφοριών.

Εφαρμογή οπτικής επικοινωνίας

Υπάρχουν πολλά πλεονεκτήματα στην οπτική επικοινωνία και έχει ενσωματωθεί σε κάθε γωνιά της ζωής μας από την ανάπτυξή της. Συσκευές όπως κινητά τηλέφωνα, υπολογιστές και τηλέφωνα IP που χρησιμοποιούν το Διαδίκτυο συνδέουν όλους με την περιοχή τους, ολόκληρη τη χώρα και ακόμη και στο παγκόσμιο δίκτυο επικοινωνίας. Για παράδειγμα, τα σήματα που εκπέμπονται από υπολογιστές και κινητά τηλέφωνα συγκεντρώνονται σε τοπικούς σταθμούς βάσης χειριστή επικοινωνίας και εξοπλισμό παροχής δικτύων και στη συνέχεια μεταδίδονται σε διάφορα μέρη του κόσμου μέσω καλωδίων οπτικών ινών σε υποβρύχια καλώδια.

Η πραγματοποίηση καθημερινών δραστηριοτήτων, όπως οι βιντεοκλήσεις, οι ηλεκτρονικές αγορές, τα βιντεοπαιχνίδια και η παρακολούθηση όλων, βασίζονται στην υποστήριξη και τη βοήθεια πίσω από τις σκηνές. Η εμφάνιση οπτικών δικτύων έχει κάνει τη ζωή μας πιο άνετη και βολική.